Синапсы: строение, работа и пластичность

Нейроны не сливаются друг с другом в непрерывную сеть: каждый из них — отдельная клетка, и сигнал с одной клетки на другую передаётся в особых местах контакта — синапсах. В синапсе электрический сигнал, бегущий по аксону, превращается в химический — выброс молекул медиатора, — а затем снова в электрический в следующей клетке. Именно в синапсах сигнал может быть усилен, ослаблен, заторможен или изменён надолго; на изменении синапсов основаны обучение и память; на синапсы действует большинство лекарств, влияющих на психику, и многие самые сильные яды.

В статье подробно разобраны: какими бывают синапсы и как они устроены; что происходит за ту половину миллисекунды, пока сигнал проходит синапс; почему медиатор выделяется порциями; какие бывают медиаторы и рецепторы; как возникают возбуждающие и тормозные потенциалы и как нейрон складывает тысячи входов; как работает нервно-мышечный синапс; как синапсы меняются при обучении; как на них действуют яды и лекарства; откуда синапсы взялись в эволюции и как их изучают сегодня. В конце — что нужно знать для ЕГЭ, раздел для олимпиад и задания с разбором. Электрические основы — потенциал покоя, потенциал действия, ионные токи — разобраны в статье «Потенциал покоя и потенциал действия»; общий обзор — в статье «Нервная система человека и животных».

• 1. Что такое синапс и сколько их
• 2. Электрические синапсы
• 3. Строение химического синапса
• 4. Как работает химический синапс
• 5. Медиатор выделяется порциями
• 6. Медиаторы
• 7. Рецепторы
• 8. Возбуждение и торможение: ВПСП и ТПСП
• 9. Суммация: как нейрон складывает входы
• 10. Нервно-мышечный синапс
• 11. Как прекращается действие медиатора
• 12. Пластичность синапсов
• 13. Яды, лекарства и болезни синапсов
• 14. Откуда взялись синапсы
• 15. История открытия
• 16. Как изучают синапсы
• 17. Частые вопросы
• 18. Что нужно знать для ЕГЭ
• 19. Для олимпиад
• Задания с разбором
• Литература

1. Что такое синапс и сколько их

Синапс — специализированный контакт, через который нейрон передаёт сигнал другому нейрону, мышечному волокну или железистой клетке. Клетку, которая передаёт сигнал, называют пресинаптической, клетку, которая его принимает, — постсинаптической. Слово ввёл английский физиолог Чарльз Шеррингтон в 1897 году, по совету знатока античности, от греческого «синапто» — «соединяю, смыкаю» [1]. Тогда синапс был гипотезой: Шеррингтон изучал рефлексы и заметил, что через спинной мозг сигнал проходит медленнее, чем по нерву, и только в одну сторону, — значит, в месте контакта нейронов происходит что-то особенное. Увидеть синапс удалось только в 1950-х годах в электронный микроскоп.

Синапсов в мозге невообразимо много. В новой коре человека около 20 миллиардов нейронов и около 1,5·10¹⁴ синапсов — по нескольку тысяч на каждый нейрон [2]. Клетка Пуркинье мозжечка получает около 200 тысяч синапсов от параллельных волокон, а у круглого червя Caenorhabditis elegans всего 302 нейрона и около 7000 синапсов — и это единственное животное, у которого все они были нанесены на карту ещё в 1986 году. В 2024 году завершили карту всех синапсов мозга взрослой дрозофилы: 139 тысяч нейронов и около 50 миллионов синапсов [3]. В том же году опубликовали реконструкцию одного кубического миллиметра коры человека: в нём около 57 тысяч клеток и 150 миллионов синапсов, а данные электронной микроскопии этого кусочка заняли 1,4 петабайта [4].

Синапсы делят на два принципиально разных типа. В электрических ток переходит из клетки в клетку прямо через белковые каналы, соединяющие их цитоплазму. В химических клетки разделены щелью, и сигнал передаёт вещество-посредник — медиатор (нейромедиатор, нейротрансмиттер). У позвоночных подавляющее большинство синапсов химические.

2. Электрические синапсы

В электрическом синапсе мембраны двух клеток сближены до 3,5 нм и пронизаны щелевыми контактами — скоплениями белковых каналов. Каждый канал составлен из двух половин, по одной в каждой мембране; половина называется коннексоном и состоит из шести белков-коннексинов. Сквозь общую пору диаметром около 1,5 нм проходят ионы и небольшие молекулы массой до 1000 дальтон — АТФ, цАМФ, глюкоза. Когда в одной клетке возникает потенциал действия, ток через щелевые контакты сразу деполяризует соседнюю.

Электрический синапс работает практически без задержки и обычно в обе стороны. Его впервые доказали в 1959 году Эдвин Фершпан и Дэвид Поттер на гигантских волокнах речного рака, которые запускают резкий удар хвостом при опасности [5]. Скорость важна именно в таких реакциях бегства: у рыб электрические синапсы передают сигнал на маутнеровские клетки — пару гигантских нейронов, запускающих бросок в сторону за несколько миллисекунд. Другая функция электрических синапсов — синхронизация: соединённые щелевыми контактами нейроны нижней оливы, ядер гипоталамуса, вырабатывающих гормоны, и тормозные нейроны коры разряжаются согласованно. Щелевые контакты есть и между клетками сердечной мышцы, и между клетками гладких мышц — через них возбуждение распространяется по всему органу.

Зато электрический синапс не умеет того, что умеет химический: он почти не усиливает сигнал (слабый пресинаптический ток не может вызвать большого постсинаптического), не может превратить возбуждение в торможение и гораздо меньше способен к долговременным изменениям. Поэтому сложная обработка информации в мозге опирается на химические синапсы.

3. Строение химического синапса

Типичный химический синапс в мозге — утолщение на конце или по ходу аксона (синаптическая бляшка, бутон) диаметром около 1 мкм, прилегающее к дендриту, телу или аксону другого нейрона. В нём три части.

Пресинаптическое окончание. Оно заполнено синаптическими пузырьками — мембранными шариками диаметром около 40 нм, в каждом из которых несколько тысяч молекул медиатора. В одном окончании обычно 100–200 пузырьков; часть из них пристыкована к мембране в активной зоне — участке, где сосредоточены кальциевые каналы и белки, обеспечивающие выброс. В электронный микроскоп активная зона выглядит как плотная полоска с выступами, вдоль которых выстроены пузырьки. Там же много митохондрий: выделение медиатора, его синтез и возвращение пузырьков требуют много АТФ. Пузырьки с медиатором заполняет протонный насос: он закачивает в пузырёк ионы водорода, а транспортёр медиатора обменивает их на молекулы медиатора. Кроме мелких прозрачных пузырьков в окончании бывают крупные (около 100 нм) пузырьки с плотным содержимым — в них хранятся нейропептиды.

Синаптическая щель шириной около 20 нм (в нервно-мышечном синапсе — 50 нм). Это не пустой промежуток: щель пересекают белки клеточной адгезии — нейрексины пресинаптической мембраны, связанные с нейролигинами постсинаптической. Они удерживают мембраны точно напротив друг друга и помогают синапсу сформироваться.

Постсинаптическая мембрана с рецепторами медиатора. Под ней лежит постсинаптическое уплотнение — слой толщиной 30–50 нм из сотен видов белков, которые удерживают рецепторы напротив активной зоны и связывают их с ферментами и цитоскелетом. Главный каркасный белок возбуждающих синапсов называется PSD-95. Большинство возбуждающих синапсов коры расположены на дендритных шипиках — выростах дендрита длиной около 1 мкм с головкой и тонкой шейкой. Шипик отделяет синапс от остального дендрита: кальций, вошедший в головку, остаётся в ней, и изменения затрагивают только этот синапс. У пирамидного нейрона коры может быть больше 10 тысяч шипиков.

Вокруг многих синапсов — отростки астроцитов. Они захватывают медиатор из щели, поддерживают ионный состав, выделяют вещества, необходимые для образования синапсов, и сами реагируют на медиаторы. Поэтому сегодня говорят о «трёхчастном синапсе»: пре- и постсинаптический нейроны плюс астроцит [6].

Синапсы различают по тому, какие части клеток они соединяют: аксо-дендритные (самые многочисленные), аксо-соматические (на теле нейрона), аксо-аксонные (на начальном сегменте или на окончании другого аксона). В электронном микроскопе видны два основных типа: асимметричные синапсы с толстым постсинаптическим уплотнением, как правило, возбуждающие, глутаматергические, и симметричные — с тонким, как правило, тормозные, ГАМКергические. Эту классификацию предложил английский анатом Эдвард Грей в 1959 году.

4. Как работает химический синапс

Весь процесс передачи от прихода потенциала действия в окончание до начала тока в постсинаптической клетке занимает около половины миллисекунды. Это время называют синаптической задержкой. Рассмотрим этапы по порядку.

Кальций — сигнал к выбросу

Потенциал действия, дойдя до окончания, деполяризует его мембрану и открывает потенциал-зависимые кальциевые каналы активной зоны. Кальция в цитоплазме очень мало — около 0,1 мкмоль/л, снаружи — 2 ммоль/л, в 20 тысяч раз больше, и кальций входит по огромному электрохимическому градиенту. У устья открытого канала, в зоне размером в десятки нанометров, его концентрация за доли миллисекунды поднимается до десятков мкмоль/л. Пузырьки, пристыкованные в этой зоне, получают сигнал к слиянию.

Роль кальция показали Бернард Кац и Рикардо Миледи в 1967 году: если в растворе нет кальция, потенциал действия доходит до окончания, но медиатор не выделяется. Тогда же обнаружилась замечательная зависимость: выделение медиатора пропорционально примерно четвёртой степени концентрации кальция [7]. Удвоение концентрации кальция увеличивает выброс примерно в 16 раз. Это значит, что для слияния одного пузырька должны связаться несколько ионов кальция одновременно, и выброс очень чувствителен к малейшим изменениям входа кальция, — на этом основаны многие формы регуляции синапса.

Слияние пузырька: белки SNARE и синаптотагмин

Мембрана пузырька и мембрана клетки не сливаются сами: им мешает отталкивание заряженных поверхностей и гидратные оболочки липидов. Слияние осуществляют белки SNARE. На мембране пузырька находится синаптобревин, на мембране окончания — синтаксин и SNAP-25. Их спиральные участки, закручиваясь друг вокруг друга, образуют прочный пучок из четырёх спиралей и стягивают мембраны так близко, что те сливаются. Белок синаптотагмин на мембране пузырька служит датчиком кальция: связав пять ионов кальция, он внедряется в мембрану и запускает уже полусобранный комплекс SNARE. Белки комплексин, Munc13 и Munc18 готовят пузырёк к выбросу и удерживают его в состоянии «на старте». Пузырёк, готовый к выбросу, сливается с мембраной за доли миллисекунды после входа кальция [8]. За открытие механизма транспорта и слияния пузырьков Джеймс Ротман, Рэнди Шекман и Томас Зюдхоф получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине 2013 года.

Насколько важны белки SNARE, показывают бактериальные токсины. Столбнячный токсин и ботулинические токсины — ферменты-протеазы, которые разрезают именно белки SNARE: одни — синаптобревин, другие — SNAP-25 или синтаксин [9]. Пузырьки перестают сливаться, медиатор не выделяется. Ботулинический токсин — самое ядовитое из известных веществ: смертельная доза для человека при попадании в кровь — порядка десятых долей микрограмма. Он вызывает паралич мышц, и именно поэтому в ничтожных дозах его применяют в медицине — при спастичности мышц, косоглазии, мигрени, повышенной потливости — и в косметологии.

Медиатор в щели

Из открывшегося пузырька выходят несколько тысяч молекул медиатора. Щель узкая, и диффузия через неё занимает меньше микросекунды. Концентрация медиатора у постсинаптической мембраны на мгновение достигает примерно 1 ммоль/л, а затем за миллисекунду падает: медиатор расходится, его захватывают транспортёры или разрушают ферменты (раздел 11). Медиатор связывается с рецепторами постсинаптической мембраны, и в постсинаптической клетке возникает ответ — об этом разделы 7 и 8.

Возвращение пузырьков

После слияния мембрана пузырька становится частью мембраны окончания. Если бы она не возвращалась, окончание за несколько секунд активной работы израсходовало бы все пузырьки и раздулось бы. Мембрана пузырька возвращается эндоцитозом. Классический путь — образование окаймлённых клатрином пузырьков за десятки секунд. В 2013 году на синапсах гиппокампа мыши обнаружили сверхбыстрый эндоцитоз: через 50–100 мс после выброса мембрана втягивается рядом с активной зоной [10]. Кроме того, пузырёк может лишь ненадолго открыть пору и тут же закрыть её, не сливаясь полностью. Возвращённые пузырьки снова заполняются медиатором и через десятки секунд готовы к работе.

5. Медиатор выделяется порциями

В 1952 году Пол Фетт и Бернард Кац, регистрируя потенциал мышечного волокна лягушки в области нервно-мышечного синапса, заметили, что даже без всякого раздражения нерва в волокне время от времени возникают крошечные деполяризации — около 0,5 мВ, примерно одинаковой величины [11]. Их назвали миниатюрными потенциалами концевой пластинки. Их блокировал кураре, а усиливали ингибиторы ацетилхолинэстеразы — значит, это были ответы на ацетилхолин.

В 1954 году Хосе дель Кастильо и Кац уменьшили выделение медиатора, снизив концентрацию кальция в растворе, и стали раздражать нерв много раз подряд [12]. Ответы мышцы оказались ступенчатыми: часть раздражений не давала ответа совсем (неудачи), часть давала ответ величиной в один миниатюрный потенциал, часть — в два, три и так далее. Амплитуды ответов были кратны амплитуде миниатюрного потенциала, а частоты ответов разной величины подчинялись закону Пуассона — закону редких независимых событий. Отсюда квантовая гипотеза: медиатор выделяется порциями, квантами одинаковой величины, а нервный импульс лишь повышает вероятность выделения каждого кванта. В те же годы в электронный микроскоп увидели синаптические пузырьки, и квант естественно отождествили с содержимым одного пузырька. Спустя четверть века Джон Хойзер и Томас Риз, мгновенно замораживая нервно-мышечный синапс через несколько миллисекунд после раздражения, увидели пузырьки в момент слияния и показали, что число слившихся пузырьков соответствует числу выделившихся квантов [13].

Закон Пуассона даёт простой способ определить среднее число квантов m (квантовый состав): доля неудач равна e^−m, поэтому m = ln(N/N₀), где N — число раздражений, N₀ — число неудач. Другой способ — разделить среднюю амплитуду ответа на амплитуду одного кванта. Согласие двух независимых оценок и стало главным доводом в пользу квантовой гипотезы. За исследования синаптической передачи Кац получил Нобелевскую премию 1970 года вместе с Джулиусом Аксельродом и Ульфом фон Эйлером.

В нервно-мышечном синапсе при нормальной концентрации кальция один импульс выделяет десятки и сотни квантов, и передача почти никогда не отказывает. Синапсы мозга устроены иначе: в каждой активной зоне готовы к выбросу лишь несколько пузырьков, и вероятность выделения при одном импульсе часто составляет 0,1–0,5. Многие импульсы проходят через отдельный синапс впустую. Это не дефект, а свойство: от вероятности выделения зависит, как синапс отвечает на серию импульсов, и именно её меняют многие механизмы пластичности (раздел 12).

6. Медиаторы

Первым медиатором, природу которого установили, был ацетилхолин. В ночь на Пасху 1921 года австрийскому фармакологу Отто Лёви приснился опыт, который мог бы решить спор об электрической или химической передаче. Проснувшись, он записал его, но утром не смог разобрать записей. Следующей ночью сон повторился, и Лёви в три часа ночи отправился в лабораторию [14]. Он раздражал блуждающий нерв изолированного сердца лягушки, и сердце замедлялось; затем переносил раствор, омывавший это сердце, ко второму сердцу без нерва — и оно тоже замедлялось. Значит, нерв выделял вещество, которое Лёви назвал «вагусштофф» — «вещество блуждающего нерва». Английский фармаколог Генри Дейл показал, что это ацетилхолин, и в 1936 году Лёви и Дейл разделили Нобелевскую премию.

Чтобы вещество считалось медиатором, должны выполняться несколько условий: оно синтезируется в нейроне и хранится в его окончаниях, выделяется при возбуждении в зависимости от кальция, действует на постсинаптическую клетку через определённые рецепторы, нанесённое извне воспроизводит действие синапса, и в синапсе есть механизм его удаления. Сегодня известны сотни веществ, участвующих в передаче сигналов между нейронами. Подробно о каждом — в статье «Нейромедиаторы». Главные группы [1]:

Глутамат используют около 80 % нейронов коры. Это та самая глутаминовая кислота, натриевая соль которой известна как пищевая добавка, но из пищи в мозг она почти не попадает: гематоэнцефалический барьер её не пропускает, а нейроны синтезируют глутамат сами.

Долгое время считалось, что каждый нейрон выделяет во всех своих окончаниях один и тот же медиатор. Эту закономерность называют принципом Дейла. Сегодня известно, что нейрон обычно выделяет несколько веществ: быстрый медиатор (глутамат или ГАМК) вместе с нейропептидом, АТФ или моноамином. Принцип Дейла уточнили: нейрон выделяет один и тот же набор медиаторов во всех своих окончаниях.

Синаптическая передача не всегда идёт строго от пресинапса к постсинапсу. Эндоканнабиноиды и оксид азота образуются в постсинаптической клетке в ответ на вход кальция, диффундируют назад и действуют на пресинаптическое окончание — обычно уменьшают выделение медиатора. Так постсинаптическая клетка регулирует силу своих входов. Активное вещество конопли действует на те же каннабиноидные рецепторы, что и собственные эндоканнабиноиды мозга, но действует на все синапсы сразу и долго.

7. Рецепторы

Ответ постсинаптической клетки определяет не медиатор, а рецептор. Один и тот же ацетилхолин возбуждает скелетную мышцу и замедляет сердце, потому что в мышце он действует на один тип рецепторов, а в сердце — на другой. Все рецепторы медиаторов делят на два класса.

Ионотропные рецепторы — это ионные каналы, которые открываются при связывании медиатора. Ответ возникает через доли миллисекунды и длится миллисекунды. Никотиновый холинорецептор мышцы — пять белковых субъединиц вокруг поры; канал открывается, когда две молекулы ацетилхолина связываются с двумя участками рецептора. Канал пропускает катионы — натрий и калий почти одинаково. Глутамат действует на ионотропные рецепторы трёх типов, названных по веществам, которые избирательно их активируют:

• AMPA-рецепторы обеспечивают основную быструю возбуждающую передачу в мозге: пропускают натрий и калий, открываются и закрываются за миллисекунды;
• NMDA-рецепторы пропускают натрий, калий и кальций, но при потенциале покоя их канал закупорен ионом магния. Магний выталкивается из канала только при деполяризации. Поэтому NMDA-рецептор проводит ток лишь при одновременном выполнении двух условий: связан глутамат и мембрана деполяризована. Для открытия нужен ещё и коагонист — глицин или D-серин. Такое свойство делает NMDA-рецептор ключевой молекулой обучения (раздел 12);
• каинатные рецепторы — менее распространённый тип, в основном регулирующий выделение медиатора.

Ионотропные тормозные рецепторы — ГАМК_A-рецептор и глициновый рецептор — это хлоридные каналы. На ГАМК_A-рецептор действуют многие вещества, угнетающие нервную систему: бензодиазепины, барбитураты, алкоголь, общие анестетики. Каждое из них связывается со своим участком рецептора и усиливает действие ГАМК. Стрихнин блокирует глициновые рецепторы спинного мозга, торможение мотонейронов исчезает, и наступают судороги.

Метаботропные рецепторы сами каналами не являются. Это белки, семь раз пронизывающие мембрану; связав медиатор, они активируют G-белок, а тот — ферменты, образующие вторичные посредники (цАМФ, инозитолтрифосфат, диацилглицерол), или непосредственно ионные каналы. Ответ развивается за сотни миллисекунд и может длиться секунды и минуты. Зато он многократно усиливается: один активированный рецептор активирует много G-белков, а каждый фермент образует тысячи молекул посредника. Метаботропны мускариновые холинорецепторы (через них ацетилхолин замедляет сердце, открывая калиевые каналы), все рецепторы дофамина, норадреналина и адреналина, почти все рецепторы серотонина, ГАМК_B-рецепторы, метаботропные глутаматные рецепторы и рецепторы нейропептидов. Метаботропные рецепторы обычно не передают сам сигнал, а настраивают работу нейрона: меняют его возбудимость, выделение медиатора, синтез белков. Поэтому моноамины и нейропептиды часто называют нейромодуляторами.

У большинства медиаторов есть несколько подтипов и ионотропных, и метаботропных рецепторов. Только для серотонина известно 14 типов рецепторов, причём один из них ионотропный. Это позволяет одному медиатору вызывать в разных клетках разные, иногда противоположные ответы и даёт фармакологам возможность действовать избирательно.

8. Возбуждение и торможение: ВПСП и ТПСП

Почему один медиатор возбуждает, а другой тормозит? Ответ даёт тот же закон, что управляет потенциалом действия: ток через открытые каналы равен I = g(U − E), где E — потенциал, при котором ток через эти каналы равен нулю (для синаптических каналов его называют потенциалом реверсии). Открывшийся канал тянет мембранный потенциал к своему потенциалу реверсии. Будет ли это возбуждением или торможением, зависит от того, где этот потенциал лежит относительно порога.

Возбуждающий постсинаптический потенциал (ВПСП). AMPA-рецепторы и никотиновые холинорецепторы пропускают и натрий, и калий. Их потенциал реверсии лежит между натриевым равновесным потенциалом (+67 мВ) и калиевым (−89 мВ) — около 0 мВ. При потенциале покоя −70 мВ движущая сила −70 мВ: через каналы течёт входящий ток (натрий входит сильнее, чем выходит калий), и мембрана деполяризуется. Если деполяризация достигнет порога в начальном сегменте аксона, возникнет потенциал действия. Поскольку потенциал реверсии выше порога, такие каналы всегда приближают клетку к возбуждению.

Тормозной постсинаптический потенциал (ТПСП). ГАМК_A- и глициновые рецепторы пропускают хлорид, потенциал реверсии которого около −74 мВ — ниже порога. Открывшиеся хлоридные каналы тянут потенциал к −74 мВ, то есть прочь от порога. Тормозное действие ГАМК_B-рецепторов создаётся иначе: через G-белок они открывают калиевые каналы и тянут потенциал к калиевому равновесному.

Важная тонкость: тормозной синапс тормозит, даже если почти не меняет потенциал. Хлоридный равновесный потенциал часто близок к потенциалу покоя, и тормозной потенциал получается совсем маленьким. Но открытые хлоридные каналы увеличивают проводимость мембраны и удерживают потенциал около −74 мВ: входящий ток возбуждающего синапса теперь частично уходит через них, и ВПСП уменьшается. Такое торможение называют шунтирующим. Расчёт показывает, что его эффект нельзя получить простым сложением потенциалов:

Тормозной потенциал сам по себе гиперполяризует мембрану всего на 2,4 мВ, но, совпав по времени с возбуждающим, уменьшает его с 6,5 до 2,9 мВ — больше чем вдвое. Шунтирующее торможение особенно действенно, когда тормозной синапс расположен на пути тока от возбуждающих синапсов к начальному сегменту аксона — на теле нейрона или на самом начальном сегменте.

Знак действия ГАМК не задан раз и навсегда — он зависит от концентрации хлорида в клетке. У незрелых нейронов работает переносчик NKCC1, накапливающий хлорид внутри клетки, хлоридный равновесный потенциал лежит выше потенциала покоя, и ГАМК деполяризует нейроны [15]. По мере созревания появляется переносчик KCC2, который выводит хлорид, и ГАМК становится тормозной; у грызунов это происходит в первые недели после рождения. Нарушение этого переключения обсуждают как один из механизмов эпилепсии и некоторых нарушений развития.

9. Суммация: как нейрон складывает входы

Один ВПСП в синапсе на дендрите обычно невелик — от долей милливольта до нескольких милливольт, а до порога нужно деполяризовать мембрану на 15–20 мВ. Поэтому, как правило, нейрон возбуждается, только когда возбуждающие потенциалы складываются. Сложение бывает двух видов. Пространственная суммация — сложение потенциалов от разных синапсов, возбуждённых одновременно. Временная суммация — сложение потенциалов от одного синапса, если импульсы приходят друг за другом раньше, чем затухнет предыдущий потенциал. Скорость затухания задаёт постоянная времени мембраны — произведение её сопротивления на ёмкость, у нейронов около 10–30 мс.

Расчёт для постоянной времени 20 мс: один ВПСП деполяризует мембрану на 5,3 мВ; пять ВПСП с интервалом 4 мс накладываются и превышают порог; те же пять ВПСП с интервалом 25 мс не суммируются — каждый успевает почти затухнуть. Частота импульсов, приходящих по аксону, превращается в величину деполяризации постсинаптической клетки.

Нейрон не просто складывает входы — он их взвешивает. Потенциал, возникший на дальнем конце дендрита, ослабевает по пути к телу клетки; тормозной синапс на теле или начальном сегменте аксона действует сильнее, чем на дендрите. Особые тормозные нейроны коры распределяют свои синапсы именно по этим «стратегическим» местам: корзинчатые клетки оплетают тело пирамидных нейронов, а канделябровые клетки образуют синапсы только на начальном сегменте аксона, где возникает потенциал действия. Дендриты к тому же не пассивны: в них есть потенциал-зависимые каналы, и одновременное возбуждение группы соседних синапсов может вызвать местный дендритный спайк. В 2020 году в дендритах нейронов коры человека обнаружили особые кальциевые потенциалы действия, амплитуда которых максимальна при определённой силе входа и уменьшается при более сильном, — так один нейрон способен решать логическую задачу «исключающее ИЛИ», которую раньше считали доступной только сети нейронов [16].

Наконец, торможение бывает пресинаптическим. Аксо-аксонный синапс на окончании другого аксона уменьшает вход кальция в это окончание, и оно выделяет меньше медиатора. Такой синапс избирательно ослабляет один вход нейрона, не затрагивая остальных. Пресинаптическое торможение особенно распространено в спинном мозге, где оно регулирует поступление болевых и других чувствительных сигналов.

10. Нервно-мышечный синапс

Нервно-мышечный синапс — самый изученный синапс, на нём были сделаны почти все ранние открытия. Аксон мотонейрона спинного мозга у мышцы ветвится, и каждая веточка образует синапс с одним мышечным волокном; у млекопитающих на волокне обычно один синапс. Окончание аксона лежит в углублении мембраны волокна — концевой пластинке. Мембрана пластинки собрана в глубокие складки, увеличивающие её площадь; на гребнях складок, точно напротив активных зон, плотность никотиновых холинорецепторов достигает около 10 тысяч на квадратный микрометр. В щели, в базальной мембране, закреплён фермент ацетилхолинэстераза.

Ацетилхолин, выделенный при одном импульсе, открывает сотни тысяч рецепторов, и потенциал концевой пластинки в несколько раз превышает порог возбуждения волокна. Этот запас называют фактором надёжности: каждый импульс мотонейрона обязательно вызывает потенциал действия мышечного волокна и его сокращение. В этом нервно-мышечный синапс противоположен синапсам мозга, где отдельный вход лишь немного сдвигает вероятность разряда.

История изучения синапса тесно связана с ядами. Кураре — растительный яд, которым индейцы Южной Америки смазывали стрелы. Около 1850 года французский физиолог Клод Бернар показал, что у отравленной лягушки нерв проводит импульсы, мышца сокращается при прямом раздражении, но раздражение нерва мышцу не возбуждает: яд действует в месте их контакта. Сегодня известно, что кураре связывается с никотиновыми рецепторами и не даёт ацетилхолину их открыть. Его производные с 1940-х годов применяют в анестезиологии, чтобы расслабить мышцы во время операций; человек при этом дышит с помощью аппарата.

Белок α-бунгаротоксин из яда тайваньского крайта прочно и избирательно связывается с никотиновым рецептором. С его помощью в 1970 году рецептор выделили из электрического органа ската-торпедо, клетки которого — видоизменённые мышечные волокна, сплошь покрытые холинорецепторами. Это был первый выделенный рецептор медиатора. Через три года американские исследователи иммунизировали кроликов рецептором из электрического органа угря, и у кроликов развилась мышечная слабость, похожая на миастению — болезнь человека, при которой мышцы быстро утомляются. Так выяснилось, что миастения — аутоиммунная болезнь: антитела больного разрушают его собственные холинорецепторы, их становится меньше, и фактор надёжности падает. При повторных импульсах выделение медиатора в норме немного снижается; у здорового человека это не мешает, а у больного часть синапсов перестаёт передавать возбуждение, отсюда утомляемость. Лечат миастению ингибиторами ацетилхолинэстеразы, которые продлевают действие ацетилхолина, и подавлением иммунной системы.

11. Как прекращается действие медиатора

Синапс может передавать частые сигналы, только если медиатор быстро удаляется из щели. Иначе рецепторы оставались бы открытыми, а затем переходили бы в нечувствительное (десенситизированное) состояние. Медиатор удаляется тремя способами.

Ферментное расщепление. Ацетилхолинэстераза гидролизует ацетилхолин до холина и уксусной кислоты. Это один из самых быстрых ферментов: одна его молекула расщепляет около 25 тысяч молекул ацетилхолина в секунду, то есть одну молекулу за 40 мкс. Холин захватывается окончанием обратно и снова идёт на синтез ацетилхолина. Если ацетилхолинэстеразу заблокировать, ацетилхолин накапливается, рецепторы мышц сначала непрерывно возбуждены (подёргивания), затем теряют чувствительность, наступает паралич, в том числе дыхательных мышц. Так действуют фосфорорганические инсектициды и боевые отравляющие вещества нервно-паралитического действия; противоядия — атропин, блокирующий мускариновые рецепторы, и оксимы, восстанавливающие фермент.

Обратный захват. Белки-транспортёры мембраны окончания переносят медиатор обратно в нейрон, используя энергию градиента натрия. Так удаляются дофамин, норадреналин, серотонин и ГАМК. Транспортёры — мишени важнейших лекарств и наркотиков: антидепрессанты группы СИОЗС (селективные ингибиторы обратного захвата серотонина) блокируют транспортёр серотонина, кокаин — транспортёры дофамина, норадреналина и серотонина, а амфетамин заставляет транспортёр дофамина работать в обратную сторону и выводить дофамин из окончания.

Захват глиальными клетками. Глутамат в основном захватывают транспортёры астроцитов. В астроците глутамат превращается в глутамин, который возвращается в нейрон и снова становится глутаматом, — цикл глутамат — глутамин. Захват глутамата требует энергии градиентов, а значит, и АТФ. При инсульте, когда кровоток прекращается, градиенты исчезают, транспортёры перестают захватывать глутамат и даже начинают его выводить. Глутамат накапливается, NMDA-рецепторы впускают в нейроны избыток кальция, и нейроны гибнут — это явление называют эксайтотоксичностью.

12. Пластичность синапсов

Сила синапса — то, насколько большой ответ вызывает в постсинаптической клетке один импульс, — не постоянна. Она меняется в зависимости от предыдущей активности, на время от миллисекунд до всей жизни. Эту способность называют синаптической пластичностью.

Кратковременная пластичность

Если импульсы приходят в окончание часто, каждый следующий ответ может быть больше предыдущего (облегчение) или меньше (депрессия). Облегчение возникает потому, что после импульса в окончании остаётся немного кальция, и следующий импульс добавляет свой кальций к остаточному; из-за четвёртой степени зависимости выброса от кальция даже небольшая добавка сильно повышает вероятность выделения. Депрессия — следствие расхода пузырьков, готовых к выбросу: если вероятность выделения высока, первые импульсы расходуют их быстрее, чем они восстанавливаются. Какой из процессов преобладает, зависит от исходной вероятности выделения [17].

Синапс с высокой вероятностью выделения при частоте 20 Гц к десятому импульсу передаёт лишь около 12 % исходного ответа и, по сути, сообщает о начале серии импульсов. Синапс с низкой вероятностью, наоборот, усиливает ответ втрое и лучше всего передаёт длительную серию. Один и тот же нейрон может образовывать синапсы обоих типов на разных клетках-мишенях.

Долговременная потенциация

В 1949 году канадский психолог Дональд Хебб предположил, что обучение основано на усилении связи между нейронами, когда один нейрон многократно участвует в возбуждении другого. Позднее это правило кратко сформулировали так: «нейроны, которые разряжаются вместе, связываются вместе». В 1973 году Тимоти Блисс и Терье Лёмо обнаружили в гиппокампе кролика именно такое явление: после короткой серии частых раздражений входного пути ответы нейронов увеличивались и оставались увеличенными часами [18]. Его назвали долговременной потенциацией (ДВП, англ. LTP).

Механизм ДВП в синапсах гиппокампа разобран почти до молекул, и его ключевая деталь — NMDA-рецептор [19].

При обычной передаче глутамат открывает AMPA-рецепторы, а каналы NMDA-рецепторов остаются закупорены магнием. Если же синапс возбуждается сильно или одновременно с другими синапсами того же нейрона, постсинаптическая мембрана деполяризуется, магний выталкивается, и через NMDA-рецепторы в шипик входит кальций. Кальций активирует ферменты, прежде всего кальций-кальмодулин-зависимую киназу II, и в мембрану шипика встраиваются дополнительные AMPA-рецепторы — тот же медиатор теперь вызывает больший ответ. Шипик увеличивается. Для сохранения изменения на дни нужны синтез новых белков и перестройка синапса. Если же кальций входит понемногу и долго, активируются фосфатазы, AMPA-рецепторы удаляются, и синапс ослабевает — это долговременная депрессия. Американский нейробиолог Эрик Кандел изучил молекулярные механизмы памяти на морском моллюске аплизии, у которого всего около 20 тысяч крупных нейронов, и получил Нобелевскую премию 2000 года.

Важен даже порядок импульсов. В 1998 году Гоцян Би и Пу Мумин показали, что если импульс в пресинаптическом нейроне приходит на 5–20 мс раньше, чем возникает потенциал действия в постсинаптическом, синапс усиливается, а если позже — ослабевает [20]. Синапс усиливается, когда пресинаптический нейрон мог быть причиной разряда постсинаптического, и ослабевает, когда не мог. Это правило назвали пластичностью, зависящей от времени импульсов.

Связь ДВП с памятью подтверждают многие опыты: вещества, блокирующие NMDA-рецепторы, нарушают у крыс запоминание расположения предметов в пространстве, а мыши без NMDA-рецепторов в гиппокампе плохо обучаются. Современные методы позволяют пометить нейроны, активные во время обучения, а затем вновь активировать их светом — и животное воспроизводит выученное поведение. Совокупность таких нейронов и их усиленных синапсов называют энграммой памяти.

Синапсы рождаются и исчезают

Синапсы не только меняют силу, но и образуются и исчезают. Наблюдая за шипиками живой мыши через окошко в черепе, исследователи увидели, что при обучении новому движению в двигательной коре за часы появляются новые шипики, и часть из них сохраняется месяцами. В развитии мозга синапсов сначала образуется больше, чем нужно, а затем лишние удаляются. В коре человека плотность синапсов достигает максимума в раннем детстве, в лобной коре — около трёх-четырёх лет, а к взрослому уровню снижается только к концу подросткового возраста [21]. Удалять синапсы помогают клетки микроглии: они поглощают слабые синапсы, помеченные белками системы комплемента. Вариант гена белка комплемента C4, усиливающий это удаление, повышает риск шизофрении [22]. Если же активность нейрона долго остаётся слишком высокой или слишком низкой, все его синапсы пропорционально ослабевают или усиливаются — эта гомеостатическая пластичность не даёт сети уйти в молчание или в неуправляемое возбуждение.

13. Яды, лекарства и болезни синапсов

На каждом этапе передачи есть свои мишени, и многие яды и лекарства действуют именно на синапсы.

• Столбняк и ботулизм. Оба токсина разрезают белки SNARE, но действуют в разных местах. Ботулинический токсин блокирует выделение ацетилхолина в нервно-мышечных синапсах — наступает вялый паралич. Столбнячный токсин по аксонам мотонейронов попадает в спинной мозг и блокирует тормозные синапсы, выделяющие глицин и ГАМК, — мотонейроны лишаются торможения, возникают мучительные судороги.
• Болезнь Паркинсона возникает при гибели дофаминовых нейронов чёрной субстанции среднего мозга, аксоны которых идут в базальные ядра. Симптомы появляются, когда погибает больше половины этих нейронов. Сам дофамин через гематоэнцефалический барьер не проходит, поэтому больным дают его предшественник леводопу, которую нейроны превращают в дофамин.
• Болезнь Альцгеймера. Лучше всего с ухудшением памяти связана не гибель нейронов, а потеря синапсов. Применяют ингибиторы ацетилхолинэстеразы (донепезил), поддерживающие холинергическую передачу, и мемантин — блокатор NMDA-рецепторов.
• Депрессия. Антидепрессанты группы СИОЗС повышают концентрацию серотонина в синапсах за часы, а настроение улучшается лишь через несколько недель. Значит, их действие связано не с самим серотонином, а с медленными изменениями синапсов и нейронов. Кетамин — блокатор NMDA-рецепторов — действует за часы; с 2019 года его производное эскетамин одобрено как назальный спрей при депрессии, не поддающейся другому лечению.
• Шизофрения. Антипсихотики блокируют дофаминовые рецепторы D2. Блокаторы NMDA-рецепторов — фенциклидин и кетамин — у здоровых людей вызывают состояния, напоминающие психоз, поэтому обсуждается и роль недостаточной работы NMDA-рецепторов.
• Аутоиммунный энцефалит с антителами к NMDA-рецепторам. Описан в 2007 году: антитела вызывают уход NMDA-рецепторов с поверхности нейронов, и у молодых, часто здоровых людей развиваются психоз, судороги, нарушения памяти и сознания [23]. Многих таких больных прежде считали психически больными; при своевременном лечении большинство выздоравливает.
• Повседневные вещества. Кофеин блокирует рецепторы аденозина, который накапливается в мозге во время бодрствования и вызывает сонливость. Никотин действует на никотиновые рецепторы нейронов мозга и усиливает выделение дофамина. Алкоголь усиливает ГАМК_A-рецепторы и ослабляет NMDA-рецепторы. Опиоиды действуют на опиоидные рецепторы: открывают калиевые каналы и уменьшают вход кальция в окончания болевых путей; угнетение дыхания при передозировке объясняется тем, что те же рецепторы есть в дыхательном центре.

Мутации генов белков синапса вызывают так называемые синаптопатии. Среди генов, мутации которых сильнее всего повышают риск расстройств аутистического спектра и умственной отсталости, много генов синаптических белков: каркасного белка SHANK3, белков адгезии нейролигинов и нейрексинов, субъединиц глутаматных рецепторов.

14. Откуда взялись синапсы

Синапс — изобретение многоклеточных животных, но его детали появились гораздо раньше нервной системы. У хоанофлагеллят — одноклеточных организмов, ближайших родственников животных, — есть белки SNARE, потенциал-зависимые кальциевые каналы и ряд белков, которые у животных работают в синапсах. У губок нет нейронов, но есть почти полный набор генов белков постсинаптического уплотнения, собранных в похожие комплексы [24]. Значит, молекулярные детали синапса существовали до нейронов и были использованы для новой задачи.

Нервные системы, возможно, возникали независимо больше одного раза. Гребневики — морские хищники, которых многие исследователи считают самой ранней ветвью животных, — используют собственный набор медиаторов, в основном пептидов. В 2023 году у гребневика обнаружили, что нейроны подэпителиальной нервной сети слиты друг с другом мембранами в единую многоядерную клетку, без синапсов между ними [25]. У книдарий (гидры, медузы) уже есть и химические синапсы, и электрические, и пептидная передача.

Отдельные «синаптические» молекулы есть и у растений. У резуховидки Таля есть гены, родственные глутаматным рецепторам животных. Когда гусеница повреждает лист, глутамат, вытекающий из повреждённых клеток, через эти рецепторы запускает волну кальция, которая за минуты распространяется по растению и включает защитные реакции в неповреждённых листьях [26]. Синапсов у растений нет, но принцип «глутамат — канал — кальций» оказался очень древним.

15. История открытия

В XIX веке многие учёные считали, что нервная система — непрерывная сеть, в которой отростки клеток сливаются друг с другом. Итальянец Камилло Гольджи в 1873 году придумал способ окрашивать отдельные нейроны солями серебра целиком, со всеми отростками, и сам остался сторонником сетевой теории. Испанец Сантьяго Рамон-и-Кахаль, применив метод Гольджи к тканям зародышей и молодых животных, доказал, что нейроны — отдельные клетки, контактирующие друг с другом, но не сливающиеся (нейронная доктрина). В 1906 году Гольджи и Кахаль разделили Нобелевскую премию и в своих нобелевских лекциях отстаивали противоположные взгляды. Окончательно спор решила электронная микроскопия: в 1950-х годах увидели синаптическую щель и пузырьки [1].

Вторым великим спором был спор о природе передачи — «искры против супа», как его позже назвали: электрическая она или химическая. Химическую передачу на периферии доказали Лёви и Дейл в 1920–1930-х годах, но многие физиологи, в том числе австралиец Джон Экклс, долго считали, что в центральной нервной системе передача электрическая, — химическая казалась слишком медленной. В 1951–1952 годах сам Экклс с сотрудниками, введя микроэлектрод в мотонейрон, зарегистрировали тормозные потенциалы, которые электрической теорией объяснить было нельзя, и Экклс признал химическую передачу. В 1963 году он получил Нобелевскую премию вместе с Ходжкиным и Хаксли. Электрические синапсы тоже оказались реальными, но редкими.

16. Как изучают синапсы

Электрофизиология. Микроэлектрод, введённый в клетку, регистрирует постсинаптические потенциалы; метод фиксации потенциала позволяет измерять синаптические токи. Метод «пэтч-кламп» Эрвина Неера и Берта Закмана (Нобелевская премия 1991 года) регистрирует ток через одиночный рецептор-канал, а запись одновременно от пре- и постсинаптического нейрона позволяет изучать отдельный синапс.

Микроскопия. Электронный микроскоп показывает пузырьки, активные зоны и постсинаптические уплотнения с разрешением в нанометры. Криоэлектронная томография позволяет увидеть отдельные белковые комплексы в синапсе, замороженном без химической фиксации. Флуоресцентная микроскопия сверхвысокого разрешения (Нобелевская премия по химии 2014 года) показала, что места выделения медиатора в активной зоне выстроены точно напротив скоплений рецепторов, образуя «наноколонны» поперёк щели.

Генетически кодируемые инструменты. Белки-сенсоры, которые светятся при связывании глутамата, дофамина, ацетилхолина или кальция, позволяют увидеть работу отдельных синапсов в мозге живого животного. Оптогенетика — встраивание в нейроны светочувствительных ионных каналов из водорослей — позволяет возбуждать или тормозить выбранные нейроны и их окончания вспышками света.

Коннектомика — составление полных карт связей. После червя C. elegans (1986) и мозга дрозофилы (2024) [3] в 2025 году консорциум MICrONS реконструировал кубический миллиметр зрительной коры мыши — более 200 тысяч клеток и 523 миллиона синапсов, — предварительно записав активность тех же нейронов, пока мышь смотрела видео [27]. Это позволило впервые сопоставить, как нейроны связаны и что они делают.

17. Частые вопросы

Зачем нужна химическая передача, если электрическая быстрее? Химический синапс может усиливать сигнал: слабый ток в тонком окончании выделяет медиатор, открывающий тысячи каналов в крупной постсинаптической клетке. Он может превращать возбуждение в торможение — в зависимости от рецептора. И он пластичен: силу химического синапса можно менять множеством способов, на этом основаны обучение и память.

Почему химический синапс проводит сигнал только в одну сторону? Пузырьки с медиатором и аппарат выброса есть только в пресинаптическом окончании, а рецепторы — на постсинаптической мембране. Обратная передача (эндоканнабиноиды, оксид азота) существует, но использует совсем другие механизмы и только регулирует синапс.

Откуда синапс «знает», возбуждать или тормозить? Это определяет рецептор, а точнее — потенциал реверсии ионов, которые он пропускает. Каналы для натрия и калия тянут потенциал к 0 мВ — выше порога, хлоридные и калиевые каналы — ниже порога (раздел 8).

Может ли тормозной синапс тормозить, не меняя потенциала? Да: открытые хлоридные каналы увеличивают проводимость мембраны и «закорачивают» возбуждающие токи. Это шунтирующее торможение.

Если медиатор выделяется порциями, почему ответы в мозге кажутся плавными? Каждый нейрон получает тысячи входов, и сумма огромного числа случайных квантовых событий почти непрерывна. Квантовость заметна при регистрации от одного синапса.

Расходуется ли медиатор? Он удаляется из щели и частично разрушается, но в основном возвращается в окончание обратным захватом (или в виде холина и глутамина) и используется повторно. Мембрана пузырьков тоже возвращается эндоцитозом.

Что такое «утомление синапса»? При длительной частой стимуляции пузырьки, готовые к выбросу, расходуются быстрее, чем восстанавливаются, и ответы уменьшаются (синаптическая депрессия, раздел 12).

Правда ли, что память хранится в синапсах? Многие данные указывают, что важную роль играет изменение силы и числа синапсов между определёнными нейронами. Но память — свойство сети, и, кроме синапсов, в ней участвуют изменения возбудимости нейронов и, возможно, другие механизмы.

18. Что нужно знать для ЕГЭ

На ЕГЭ по биологии синапс встречается в вопросах о нервной ткани, рефлексе и регуляции [28]:

• синапс — место контакта нейрона с другим нейроном или с клеткой рабочего органа; его части — пресинаптическая мембрана, синаптическая щель, постсинаптическая мембрана; в пресинаптическом окончании — пузырьки с медиатором и митохондрии;
• последовательность передачи: импульс приходит в окончание → входят ионы кальция → пузырьки сливаются с мембраной, медиатор выделяется в щель (экзоцитоз) → медиатор связывается с рецепторами постсинаптической мембраны → изменяется её проницаемость для ионов, возникает потенциал → медиатор разрушается ферментами или захватывается обратно;
• примеры медиаторов: ацетилхолин (нервно-мышечный синапс, парасимпатическая нервная система), норадреналин (симпатическая), дофамин, серотонин, ГАМК, глутамат;
• синапсы бывают возбуждающими и тормозными;
• химический синапс проводит возбуждение в одну сторону и с задержкой; при частых импульсах возможно утомление синапса;
• существуют электрические синапсы — щелевые контакты, проводящие без задержки и в обе стороны.

Типичные ошибки: «медиатор переходит в постсинаптическую клетку» (он действует на рецепторы мембраны); «синапс проводит в обе стороны» (химический — в одну); «медиатор выделяется путём диффузии из окончания» (экзоцитозом пузырьков); «рецепторы находятся на пресинаптической мембране»; «тормозной синапс выделяет меньше медиатора, чем возбуждающий» (дело в медиаторе и рецепторе, а не в количестве).

19. Для олимпиад

Квантовый анализ

Если среднее число квантов в ответе m, вероятность ответа ровно из k квантов по закону Пуассона P(k) = e^−mm^k/k!, доля неудач P(0) = e^−m. Значит, m = ln(N/N₀). При m = 2 неудачи составляют e⁻² = 13,5 %. Независимая оценка — отношение средней амплитуды ответа к амплитуде миниатюрного потенциала. Точнее процесс описывает биномиальное распределение: m = np, где n — число мест выделения, p — вероятность выделения в каждом; закон Пуассона — его предел при малом p.

Кооперативность кальция

Если выделение пропорционально [Ca²⁺]⁴, то увеличение концентрации кальция в 1,5 раза увеличивает выделение в 1,5⁴ ≈ 5 раз, а уменьшение входа кальция на 20 % уменьшает выделение до 0,8⁴ ≈ 0,41. Поэтому пресинаптическое торможение, лишь немного уменьшающее вход кальция, сильно ослабляет передачу.

Оценки для синаптической щели

Время диффузии на расстояние x по порядку величины t ≈ x²/2D. Для глутамата (D ≈ 0,4 мкм²/мс) через щель 20 нм: t = (0,02)² / 0,8 = 5·10⁻⁴ мс = 0,5 мкс. Пузырёк с внутренним диаметром 30 нм и концентрацией глутамата 0,15 моль/л содержит около 1300 молекул. Если 2000 молекул заполнят цилиндр щели радиусом 0,2 мкм и высотой 20 нм, концентрация составит около 1,3 ммоль/л — порядка измеренных значений.

Шунтирующее торможение в стационарном состоянии

Если на мембране одновременно открыты проводимость покоя g_L (потенциал −70 мВ), возбуждающая g_E (0 мВ) и тормозная g_I (−74 мВ), установившийся потенциал — взвешенное среднее: U = (g_L·(−70) + g_E·0 + g_I·(−74)) / (g_L + g_E + g_I). При g_E = 0,1g_L без торможения U = −63,6 мВ (деполяризация 6,4 мВ); если добавить g_I = g_L, U = −68,6 мВ — деполяризация от уровня покоя всего 1,4 мВ (задание 13).

Задания с разбором

Задание 1

Выберите три верных утверждения о химическом синапсе: 1) медиатор хранится в пузырьках пресинаптического окончания; 2) медиатор проникает в постсинаптическую клетку и вызывает в ней потенциал действия; 3) выделение медиатора запускается входом ионов кальция; 4) рецепторы медиатора расположены на пресинаптической мембране; 5) химический синапс проводит возбуждение в одном направлении; 6) передача через химический синапс происходит без задержки.

Задание 2

Установите последовательность событий при передаче через химический синапс: 1) связывание медиатора с рецепторами; 2) вход ионов кальция в окончание; 3) приход потенциала действия в окончание; 4) слияние пузырьков с мембраной и выход медиатора в щель; 5) возникновение постсинаптического потенциала; 6) расщепление или обратный захват медиатора.

Задание 3

Найдите три ошибки: «(1) Синапс — место контакта нейрона с другой клеткой. (2) Медиатор выделяется в синаптическую щель путём диффузии через мембрану окончания. (3) Медиатор связывается с рецепторами постсинаптической мембраны. (4) Ацетилхолин в синапсе разрушает фермент ацетилхолинэстераза. (5) Химический синапс проводит возбуждение в обе стороны. (6) Все синапсы являются возбуждающими».

Задание 4

Установите соответствие между признаками и типами синапсов (А — электрический, Б — химический): 1) щель около 3,5 нм, щелевые контакты; 2) синаптическая задержка около 0,5 мс; 3) проведение обычно в обе стороны; 4) возможно торможение постсинаптической клетки; 5) сигнал передают медиаторы; 6) ток переходит прямо из цитоплазмы в цитоплазму.

Задание 5

Почему химический синапс проводит возбуждение только в одном направлении?

Задание 6

Нерв раздражали 200 раз в растворе с низким содержанием кальция; в 27 случаях ответа мышцы не было. Найдите среднее число квантов в ответе. Какова средняя амплитуда ответа, если миниатюрный потенциал равен 0,4 мВ?

Задание 7

Выделение медиатора пропорционально четвёртой степени концентрации кальция. Во сколько раз изменится выделение, если концентрацию кальция в растворе увеличить в 1,5 раза?

Задание 8

Оцените время диффузии глутамата через синаптическую щель шириной 20 нм (D = 0,4 мкм²/мс; t ≈ x²/2D). Сравните с синаптической задержкой.

Задание 9

Сколько молекул глутамата содержит пузырёк с внутренним диаметром 30 нм, если концентрация глутамата в нём 0,15 моль/л?

Задание 10

2000 молекул глутамата распределились в части щели — цилиндре радиусом 0,2 мкм и высотой 20 нм. Найдите концентрацию.

Задание 11

Одна молекула ацетилхолинэстеразы расщепляет 25 000 молекул ацетилхолина в секунду. Сколько времени уходит на одну молекулу? Почему отравление ингибиторами этого фермента смертельно?

Задание 12

Потенциал реверсии AMPA-рецепторов 0 мВ. Каковы движущая сила и направление тока через них при мембранном потенциале −70, −40 и +10 мВ?

Задание 13

Проводимость покоя g_L (потенциал −70 мВ). Открыли возбуждающие каналы с проводимостью 0,1g_L (потенциал реверсии 0 мВ). Найдите установившийся потенциал. Каким он будет, если одновременно открыть тормозные каналы с проводимостью g_L (−74 мВ)?

Задание 14

В незрелом нейроне концентрация хлорида внутри 25 ммоль/л, снаружи 110 ммоль/л. Найдите хлоридный равновесный потенциал при 37 °C. Как действует ГАМК на такой нейрон с потенциалом покоя −60 мВ?

Задание 15

Почему при миастении мышцы быстро утомляются и почему больным помогают ингибиторы ацетилхолинэстеразы?

Задание 16

Где именно в нервно-мышечном синапсе действуют кураре, ботулинический токсин и фосфорорганические вещества, и почему все три вызывают паралич?

Задание 17

Почему ботулинический токсин вызывает вялый паралич, а столбнячный — судороги, хотя оба разрезают белки SNARE?

Задание 18

При каких условиях NMDA-рецептор проводит ток и почему его называют детектором совпадений?

Задание 19

В опыте импульс пресинаптического нейрона приходит в момент 0, а потенциал действия постсинаптического нейрона возникает в момент +10 мс. Как изменится синапс при многократном повторении? А если постсинаптический разряд возникает в момент −10 мс?

Задание 20

Антидепрессанты, блокирующие обратный захват серотонина, повышают его концентрацию в синапсах за несколько часов. Почему лечебный эффект появляется лишь через несколько недель?

Задание 21

В новой коре человека около 1,5·10¹⁴ синапсов и около 2·10¹⁰ нейронов. Сколько синапсов в среднем приходится на один нейрон?

Литература

1. Kandel E. R., Koester J. D., Mack S. H., Siegelbaum S. A. (eds.) Principles of Neural Science. 6th ed. McGraw-Hill, 2021.
2. Pakkenberg B., Pelvig D., Marner L. et al. Aging and the human neocortex. Exp. Gerontol. 2003, 38, 95–99.
3. Dorkenwald S., Matsliah A., Sterling A. R. et al. Neuronal wiring diagram of an adult brain. Nature 2024, 634, 124–138.
4. Shapson-Coe A., Januszewski M., Berger D. R. et al. A petavoxel fragment of human cerebral cortex reconstructed at nanoscale resolution. Science 2024, 384, eadk4858.
5. Furshpan E. J., Potter D. D. Transmission at the giant motor synapses of the crayfish. J. Physiol. 1959, 145, 289–325.
6. Allen N. J., Eroglu C. Cell biology of astrocyte-synapse interactions. Neuron 2017, 96, 697–708.
7. Dodge F. A., Rahamimoff R. Co-operative action of calcium ions in transmitter release at the neuromuscular junction. J. Physiol. 1967, 193, 419–432.
8. Südhof T. C. Neurotransmitter release: the last millisecond in the life of a synaptic vesicle. Neuron 2013, 80, 675–690.
9. Schiavo G., Benfenati F., Poulain B. et al. Tetanus and botulinum-B neurotoxins block neurotransmitter release by proteolytic cleavage of synaptobrevin. Nature 1992, 359, 832–835.
10. Watanabe S., Rost B. R., Camacho-Pérez M. et al. Ultrafast endocytosis at mouse hippocampal synapses. Nature 2013, 504, 242–247.
11. Fatt P., Katz B. Spontaneous subthreshold activity at motor nerve endings. J. Physiol. 1952, 117, 109–128.
12. Del Castillo J., Katz B. Quantal components of the end-plate potential. J. Physiol. 1954, 124, 560–573.
13. Heuser J. E., Reese T. S., Dennis M. J. et al. Synaptic vesicle exocytosis captured by quick freezing and correlated with quantal transmitter release. J. Cell Biol. 1979, 81, 275–300.
14. Loewi O. Über humorale Übertragbarkeit der Herznervenwirkung. Pflügers Arch. 1921, 189, 239–242.
15. Ben-Ari Y. Excitatory actions of GABA during development: the nature of the nurture. Nat. Rev. Neurosci. 2002, 3, 728–739.
16. Gidon A., Zolnik T. A., Fidzinski P. et al. Dendritic action potentials and computation in human layer 2/3 cortical neurons. Science 2020, 367, 83–87.
17. Tsodyks M. V., Markram H. The neural code between neocortical pyramidal neurons depends on neurotransmitter release probability. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1997, 94, 719–723.
18. Bliss T. V. P., Lømo T. Long-lasting potentiation of synaptic transmission in the dentate area of the anaesthetized rabbit following stimulation of the perforant path. J. Physiol. 1973, 232, 331–356.
19. Malenka R. C., Bear M. F. LTP and LTD: an embarrassment of riches. Neuron 2004, 44, 5–21.
20. Bi G.-Q., Poo M.-M. Synaptic modifications in cultured hippocampal neurons: dependence on spike timing, synaptic strength, and postsynaptic cell type. J. Neurosci. 1998, 18, 10464–10472.
21. Huttenlocher P. R., Dabholkar A. S. Regional differences in synaptogenesis in human cerebral cortex. J. Comp. Neurol. 1997, 387, 167–178.
22. Sekar A., Bialas A. R., de Rivera H. et al. Schizophrenia risk from complex variation of complement component 4. Nature 2016, 530, 177–183.
23. Dalmau J., Tüzün E., Wu H. Y. et al. Paraneoplastic anti-N-methyl-D-aspartate receptor encephalitis associated with ovarian teratoma. Ann. Neurol. 2007, 61, 25–36.
24. Sakarya O., Armstrong K. A., Adamska M. et al. A post-synaptic scaffold at the origin of the animal kingdom. PLoS ONE 2007, 2, e506.
25. Burkhardt P., Colgren J., Medhus A. et al. Syncytial nerve net in a ctenophore adds insights on the evolution of nervous systems. Science 2023, 380, 293–297.
26. Toyota M., Spencer D., Sawai-Toyota S. et al. Glutamate triggers long-distance, calcium-based plant defense signaling. Science 2018, 361, 1112–1115.
27. The MICrONS Consortium. Functional connectomics spanning multiple areas of mouse visual cortex. Nature 2025, 640, 435–447.
28. ФИПИ. Кодификатор проверяемых требований к результатам освоения основной образовательной программы и элементов содержания для проведения ЕГЭ по биологии, 2027 г. М.: ФИПИ, 2026.